RS485-CAN 转换器的设计

　　1 RS485 及CAN 总线简介

　　RS485 是一种平衡传输方式的串行接口标准，采用半双工异步数据通信方式。基于在RS485 总线上只能有一个主机的特点，它往往应用在集中控制枢纽和分散控制单元之间。同时RS485 的总线效率低，系统的实时性差，通信的可靠性低，后期维护成本高，网络工程调试复杂，传输距离不理想，单总线可挂接的节点少等缺点也局限了其应用。

　　CAN(Controller Area Network,控制器局域网)现场总线是一种由带CAN 控制器组成的高性能串行数据局域通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一。它的总线长度最远可达10 千米(速率5Kbps 以下)，数据传输速率最高可达1Mbps（通讯距离40 米以内）。它在多主方式下工作，不分主从。采用非破坏总线仲裁技术，即使网络负载很重也不会出现网络瘫痪现象。此外，CAN 的每帧信息都有CRC 校验和其它检错措施，有很好的检错效果。由于CAN 总线具备以上优点，它目前已经被广泛应用到汽车电子、电力系统、航空工业和自动工作等领域中，并形成了国际标准，被公认为几种最有前途的现场总线之一。

　　一时间完全放弃RS485网络系统是有困难的，尤其是在已经具有现成的硬件网络中。因此考虑一种折中的方法，就是在保留现有RS485系统硬件结构的基础上，添加一个CAN总线接口，从而实现RS485网络与CAN网络的互联。

　　2 系统硬件设计

　　RS485-CAN转换器硬件设计框图如图1所示，整个硬件系统分为5个模块：微控制器模块，基本模块，CAN接口模块，RS485模块和储存模块。其中CAN接口模块的CAN控制器的选用要依据微控制器模块，如果选择的微控制器中集成了CAN控制器，则无需外接CAN控制器，否则需要外接CAN控制器。

　　2.1 微控制器模块，基本模块以及储存模块

　　这三个模块的设计属于常规设计，因此省去具体的电路图。需要说明的是微控制器可以选择内部集成了CAN 控制器的单片机，但是本设计基于系统成本，性价比以及微控制器的应用普遍性的考虑，使用的是ATMEL 的AT89C52 单片机；基本模块主要是完成微控制器的外围电路设计，主要包括电源和晶振以及复位电路等；储存模块主要是用来储存系统的配置信息，如CAN 波特率，RS485 波特率等，要求的储存空间较小，1K 的片外EEPROM 足够使用，当然也可以选择自带EEPROM 的微处理器。

图1：系统硬件设计框图

　　2.2 CAN 接口模块

　　CAN 接口模块包括总线控制器和收发器两部分。CAN 总线控制器选择的是SJA1000，它是Philips 公司推出的一款完全符合CAN 总线协议规定的CAN 控制器，可完成报文控制，数据滤波等CAN 控制器功能，SJA1000 不仅兼容PCA82C200 支持的BasicCAN(CANBUS2.0A)模式，还支持功能更强的PeliCAN(CANBUS 2.0B)模式；收发器选择的是TJA1050，它是CAN 协议控制器和物理总线的接口，是一种标准的高速CAN 收发器。

图2：CAN 模块电路图

　　如图2所示SJA1000的AD0-AD7与单片机的数据总线相连，P2.0引脚作为SJA1000的片选使能端，由ALE，WR，RD控制SJA1000的数据的发送和接收。11脚MODE接高电平，选用51系列的8位微控制器的Intel二分频模式。16脚是中断信号，接单片机的外部中断引脚。TX1脚悬空，RX1脚的电位必须维持在0.5VCC以上,否则将不能形成CAN总线所要求的电平逻辑。

　　高速光耦6N137提高了总线节点的抗干扰能力，TVS能避免数据受到不必要的外界影响并能保护元器件；另外在总线两端的设备加120欧姆的匹配电阻会使数据通信的抗干扰性以及可靠性大大加强，CANH和CANL与地之间并联两个30PF的小电容，可以滤除总线上的高频干扰并且具有一定的防电磁辐射的能力。这些额外的保护电路同样适合RS485模块的设计。

　　2.3 RS485 接口模块

　　RS485 接口模块采用MAX485 芯片作为总线收发器，它是+5V 低功耗半双工器件。MAX485 的驱动器输出是差分输出，完全满足RS485 串行协议的要求，兼容工业标准规范，符合RS485 串行协议的电气规范。电路连接如图3。

图 3：RS485 模块电路图

　　3 系统软件设计

　　本系统的软件设计除了实现单个模块的驱动程序以外，最主要的就是实现两种网络间不同协议的转换。CAN协议参考模型中定义了物理层和数据链路层，RS485协议参考模型中只定义了物理层。因此建立图4所示的协议模型。

　　CAN的帧格式中，有一个标识符域，CAN控制器的全局滤波器会检测这个标识域，决定是否接收本帧数据。由于RS485网络上，所有节点都会同时收到数据，因此可以为所有的RS485从设备设定同一个标识符。一个CAN节点若要发送数据给RS485设备，只需在该帧把标识符域设定为相应的标识符即可；RS485本质上仅仅是一个物理层标准，其帧格式完全由用户自己定义。最终在RS485总线中传输还是以帧为单位，其中包含了地址信息。RS485设备会自动根据接收到的帧，自动判断该帧是否发往本节点，然后做出相应处理。因此，在RS485设备要发送数据时，RS485-CAN总线转换器只需把RS485总线的数据进行帧打包后送入CAN的数据帧中，然后发送到CAN网络上；而RS485设备在接收数据时，RS485-CAN总线转换器则把RS485总线的数据帧从接收到的CAN数据帧中提取出来，发往RS485设备即可。[page]

图4：RS485-CAN 协议模型

　　3.1CAN 接口软件设计

　　CAN总线数据链路层结构可分为逻辑链路控制(LLC)子层和媒体访问控制(MAC)子层。LLC子层主要完成帧接收滤波，超载通告和恢复管理，而MAC子层结构功能模块包括发送和接收两个部分。对于CAN总线数据链路层的各种协议已经被集成到SJA1000芯片中，应用时只要对SJA1000芯片的控制寄存器进行相应的初始化即可进行通信，而数据的接收和发送等也是通过读写SJA1000内部寄存器来实现的。这里只给出SJA1000的初始化源程序，其它程序可参考文献[2]进行编写。

　　SJA1000开始工作之前，首先要判断SJA1000与微处理器的连接是否正确，在确认正确后开始SJA1000的初始化，之后SJA1000进入工作模式，然后才可以进行数据的读写。

　　typedef struct _CAN_PORTSTRUCT /*SJA1000初始化配置文件结构体*/

　　{

　　FIL filter; /*滤波方式*/

　　LIS lisen; /*只听模式/正常模式*/

　　TES test; /*自测试模式/正常模式*/

　　SLE sleep; /*睡眠模式设置*/

　　BAUD baud_rate; /*波特率*/

　　MODEL workmodel ; /*工作模式*/

　　UCHAR mask1;

　　UCHAR mask2;

　　UCHAR mask3;

　　UCHAR mask4;

　　UCHAR code1;

　　UCHAR code2;

　　UCHAR code3;

　　UCHAR code4;

　　}CAN_PORT,*CANPORTPTR;

　　STATUS sja1000Init(CANPORTPTR pDev) /*SJA1000初始化*/

　　{

　　UCHAR value;

　　canBoardInit()； /*进入复位模式*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_MOD,MOD_RM); /*确定CAN控制器工作模式*/

　　value = canBoard_canInByte(SJA1000_CDR);

　　if(pDev->workmodel == Peli) value|= PeliCAN ;

　　else value &= ~PeliCAN;

　　/*设置模式寄存器(只在PeliCAN模式可访问)*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_CDR,value|0x48);

　　value = canBoard_canInByte(SJA1000_MOD);

　　if(pDev->sleep == SNORM) value &=~(MOD_SM); /*睡眠模式*/

　　else value|= MOD_SM; /*正常模式*/

　　if(pDev->lisen == LNORM) value&= ~(MOD_LOM); /*正常模式*/

　　else value|= MOD_LOM; /*只听模式*/

　　if(pDev->test == TNORM) value&= ~(MOD_STM); /*正常模式*/

　　else value|= MOD_STM; /*自检测模式*/

　　if(pDev->filter == SINGLE) value|= MOD_AFM; /*单向验收滤波*/

　　else value &=(~MOD_AFM); /*双向验收滤波*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_MOD,value);

　　switch (pDev->baud_rate)

　　{

　　case B20: //波特率为20kpbs

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR0,0x07);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR1,0x7F);

　　break;

　　case B80: //波特率为80kpbs

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR0,0x01);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR1,0x7F);

　　break;

　　case B250: //波特率为250kpbs

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR0,0x00);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR1,0x1C);

　　break;

　　case B500: //波特率为500kpbs

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR0,0x00);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR1,0x14);

　　break;

　　default: //默认波特率为20kpbs

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR0,0x07);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR1,0x7F);

　　}

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_CMR,0); /*设置命令寄存器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_EWLR,0x60); /*设置错误报警限额寄存器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_IER,0); /*不使能所有中断*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_OCR,0xaa); /*输出控制寄存器设置*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_TXERR,0x0); /*设置发送错误计数器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_RXERR,0x0); /*设置接受错误计数器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_RMC,0); /*设置接收报文计数器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_ACR0,pDev->code1);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_ACR1,pDev->code2); /*设置验收代码寄存器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_ACR2,pDev->code3);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_ACR3,pDev->code4);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_AMR0,pDev->mask4);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_AMR1,pDev->mask4); /*设置验收屏蔽寄存器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_AMR2,pDev->mask4);[page]

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_AMR3,pDev->mask4);

　　return OK;

　　}

　　3.2 RS485接口软件设计

　　RS485接口软件设计主要包括串口的初始化，串口中断处理等函数的编写，因为RS485接口的软件设计比较简单，所以这部分可参考文献[4]设计，这里省略。

　　结束语

　　CAN总线是当前应用最为广泛的现场总线之一，而RS485总线是最常用的串行总线，二者之间的转换具有很高的使用价值。设计应注意以下几点：(1)RS485-CAN转换器的主要任务是将数据以最快的速度转发，流量和差错控制应由通信双方的应用层来完成，因此设计不能过于复杂。(2)处理速度是设计时首先考虑的一点，这将影响芯片的选型。(3)RS485-CAN的通用性取决于软件方面的设计和协议的使用，硬件上都是兼容的。

参考文献:

[1]. RS485 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.
[2]. AT89C52  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/AT89C52+_1064535.html.
[3]. SJA1000 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/SJA1000_609075.html.
[4]. PCA82C200  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PCA82C200+_542554.html.
[5]. TJA1050 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/TJA1050_649182.html.
[6]. 6N137 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/6N137_91364.html.
[7]. TVS datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/TVS_1174166.html.
[8]. MAX485  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MAX485+_859396.html.